【儀表網 研發快訊】中國科學院上海技術物理研究所胡偉達研究員、苗金水研究員團隊、王芳青年研究員等在動目標智能感知與光電計算融合研究方面取得重要突破。受自然界生物感知系統啟發，研究團隊圍繞紅外光電存儲與神經形態感知構建新型異質結器件體系，實現了對高速、紅外動目標的實時感知、記憶與識別，為未來高能效機器視覺與邊緣智能提供了關鍵支撐。相關成果近期分別發表在國際權威期刊《自然·通訊》(Nature Communications)和《光：科學與應用》(Light: Science & Applications)上。
當前，紅外智能感知廣泛應用于安全監測、災害預警、自動駕駛等重要領域。然而，傳統視覺系統普遍依賴馮·諾依曼架構，在信息傳輸與處理過程中面臨高延遲、高能耗等挑戰，難以滿足復雜場景下的實時識別需求。受生物感知機制啟發，研究團隊提出面向“感知-存儲-計算”一體化的新型生物啟發的光電探測系統，突破傳統器件架構壁壘，顯著提升了動態視覺處理能力。
其中，一項關鍵研究基于火甲蟲對中紅外火焰信號的敏銳感知機制。該昆蟲通過其胸部特化的坑狀器官感知森林火災中微弱的紅外輻射，即使在高速飛行狀態下，仍能實現對火源位置與運動方向的精準定位。受此啟發，上海技物所團隊聯合同濟大學黃佳、楊潔團隊構建了基于PdSe?/并五苯異質結構的中紅外神經形態晶體管。PdSe?提供中紅外高吸收能力，并五苯則作為有機半導體材料模擬生物突觸的可塑性行為。該器件不僅實現了3–4.25 μm中紅外波段內興奮性突觸響應和成對脈沖易化(PPF)效應，且在0.5 mW/cm²入射強度下即可工作，靈敏度接近火甲蟲的生理感知閾值。
基于此器件陣列團隊設計了儲備池計算(Reservoir Computing)框架，研究人員成功實現了中紅外動態軌跡的識別與方向分類。在627–927°C火焰模擬場景中，系統準確率達到94.79%，展示出優異的抗干擾能力和穩定性，標志著中紅外神經形態視覺系統在實際復雜場景下的可行性。
另一方面，研究團隊還聚焦于實現類視網膜高速紅外光電存儲與動目標追蹤的協同集成。通過構建BP/InSe二維范德華異質結結構，發現了非平凡帶帶隧穿(critical band-to-band tunneling)效應，首次實現在520–980 nm寬譜范圍內可見-近紅外的低能紅外光子隧穿與非易失性存儲。該機制顯著優于傳統photogating或浮柵器件，在不犧牲響應速度的前提下，抑制了拖尾與模糊現象，實現了500 ns級別的光存儲速度。
在模擬動目標追蹤實驗中，該器件在高速光脈沖激勵下展現出清晰穩定的成像結果，并通過光流法進行幀間特征點匹配，優于低速存儲器件，有效提高了目標定位精度。研究表明，該關鍵隧穿機制不僅提升了系統的時間分辨率，還通過能帶結構匹配壓縮了能耗，為近紅外光電計算系統的設計提供了新思路。
兩項研究從仿生啟發—材料異質集成—新型物理機制—系統級驗證形成完整閉環，展現了上海技物所在新一代光電計算范式領域的前瞻布局與原創突破。研究團隊未來將進一步探索多譜段融合、可重構神經網絡與片上學習機制，推進智能紅外視覺系統向更高維度的感知與決策演進。
上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃支持。
圖1 基于PdSe2/pentacene 異質結構的受生物啟發的中紅外神經形態晶體
圖2 基于BP/InSe 的非平凡帶帶隧穿光電存儲器
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